機(jī)械式動(dòng)態(tài)加載控制技術(shù)及應(yīng)用

摘要：文章闡述了機(jī)械式動(dòng)態(tài)加載技術(shù)以及機(jī)械式作動(dòng)器的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了機(jī)械式動(dòng)態(tài)加載控制技術(shù)的基本方案和結(jié)構(gòu)方案，論述了無(wú)級(jí)調(diào)幅控制系統(tǒng)、作動(dòng)器動(dòng)態(tài)加載控制系統(tǒng)的功能，對(duì)機(jī)械式動(dòng)態(tài)加載時(shí)有關(guān)節(jié)能及能量回饋裝置的應(yīng)用，如異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用、飛輪節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用、能量回饋裝置的應(yīng)用進(jìn)行了敘述。

關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)加載;節(jié)能;作動(dòng)器

0 ?引言

為了推動(dòng)我國(guó)機(jī)械式動(dòng)態(tài)加載控制技術(shù)的發(fā)展，就需要不斷地對(duì)機(jī)械式動(dòng)態(tài)加載控制技術(shù)進(jìn)行研究，使其更加的完善。疲勞試驗(yàn)是檢測(cè)產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過(guò)進(jìn)行大量的疲勞試驗(yàn)，可以為產(chǎn)品提供保障、提高它的穩(wěn)定性。然而現(xiàn)階段最為常見(jiàn)、使用頻率最高的加載方法是電液伺服技術(shù)。該技術(shù)耗能嚴(yán)重，多以大功率輸出為主，提高了產(chǎn)品試驗(yàn)的成本。因此，需要找到合適的節(jié)能技術(shù)，以降低產(chǎn)品試驗(yàn)的成品。本文通過(guò)對(duì)機(jī)械式動(dòng)態(tài)加載技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以尋找機(jī)械式動(dòng)態(tài)加載時(shí)有關(guān)節(jié)能的方法，使能量回饋裝置得到更為廣泛的應(yīng)用。

1 ?機(jī)械式動(dòng)態(tài)加載控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 動(dòng)態(tài)加載測(cè)量裝置及控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著航空工業(yè)和高速動(dòng)力工業(yè)的飛速發(fā)展，各種各樣的動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)機(jī)開始發(fā)展起來(lái)。當(dāng)前階段，電液伺服式動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)機(jī)的使用較為廣泛，因?yàn)殡娨核欧絼?dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)機(jī)能夠滿足載荷輸出大、振幅范圍廣的要求。德國(guó)、日本等公司自主研發(fā)的動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)機(jī)都可以編寫程序，通過(guò)可視化界面完成操作，實(shí)現(xiàn)設(shè)置、輸出等控制功能。我國(guó)的動(dòng)態(tài)加載測(cè)量裝置及控制技術(shù)發(fā)展至今已有六十年，雖然相比國(guó)外起步較晚，但是我國(guó)的試驗(yàn)機(jī)行業(yè)已經(jīng)從早期的借鑒，轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾餮邪l(fā)，實(shí)現(xiàn)了從靜態(tài)疲勞試驗(yàn)機(jī)到動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)機(jī)的轉(zhuǎn)化。以電液伺服式動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)機(jī)為例，上世紀(jì)70年代，我國(guó)自主研發(fā)了多款電液伺服式動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)機(jī)，電液伺服式動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)機(jī)一經(jīng)推出，獲得了大量好評(píng)，并在全國(guó)范圍內(nèi)得到了推廣使用。

在控制系統(tǒng)方面，全面數(shù)字化是研發(fā)控制系統(tǒng)的目標(biāo)，當(dāng)前階段，國(guó)外的一些公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全面數(shù)字化。不過(guò)近年來(lái)，我國(guó)在相關(guān)技術(shù)的研究上也取得了突破性的進(jìn)展，數(shù)字化程度得到了提升，這使得微機(jī)控制電液伺服式動(dòng)態(tài)疲勞機(jī)變得越來(lái)越容易。雖然我國(guó)在相關(guān)領(lǐng)域投入了大量的精力，行業(yè)水平也實(shí)現(xiàn)了躍升，但是與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，仍然存在一定的差距。因此，我國(guó)的動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)機(jī)行業(yè)要想獲得更好地發(fā)展，就需要穩(wěn)中求變，大力創(chuàng)新，不斷地實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，使動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)機(jī)向智能化、自動(dòng)化程度更高的方向發(fā)展，進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)疲勞試驗(yàn)領(lǐng)域的發(fā)展。

1.2 機(jī)械式作動(dòng)器應(yīng)用現(xiàn)狀

對(duì)于試驗(yàn)機(jī)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，作動(dòng)器是非常重要的部件，因?yàn)樗械膭?dòng)靜態(tài)加載技術(shù)裝置，都需要用到作動(dòng)器，它是疲勞試驗(yàn)機(jī)的重要組成部分。作動(dòng)器種類繁多，在疲勞試驗(yàn)機(jī)領(lǐng)域，機(jī)械式作動(dòng)器是使用頻率最高的作動(dòng)器。機(jī)械式作動(dòng)器，主要是通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)的方式來(lái)進(jìn)行工作的，因?yàn)槭┘虞d荷方法的不同，傳統(tǒng)的機(jī)械式作動(dòng)器無(wú)法滿足疲勞試驗(yàn)機(jī)的使用要求，相比疲勞試驗(yàn)機(jī)來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的機(jī)械式作動(dòng)器更適合彈簧試驗(yàn)機(jī)等低頻的小載荷動(dòng)態(tài)加載設(shè)備。現(xiàn)階段，應(yīng)用較為廣泛的加載方法中，曲柄連桿（滑塊）機(jī)構(gòu)和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)更適合用于疲勞試驗(yàn)機(jī)，因?yàn)榍B桿（滑塊）機(jī)構(gòu)和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)不僅維護(hù)成本低，性價(jià)比高，而且更適合設(shè)計(jì)加載振幅的作動(dòng)器裝置，這些優(yōu)點(diǎn)使得曲柄連桿（滑塊）機(jī)構(gòu)和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)獲得了廣泛的應(yīng)用。

2 ?機(jī)械式動(dòng)態(tài)加載控制技術(shù)方案及應(yīng)用

2.1 機(jī)械式動(dòng)態(tài)加載控制技術(shù)方案

作動(dòng)器是動(dòng)態(tài)加載力的載體，機(jī)械式作動(dòng)器根據(jù)產(chǎn)生力的方式，可以分為以下三種：不平衡旋轉(zhuǎn)質(zhì)量旋轉(zhuǎn)慣性激振器、凸輪或連桿直接驅(qū)動(dòng)激振器、偏心軸通過(guò)連桿壓縮激振器。雖然這三種機(jī)械式作動(dòng)器產(chǎn)生加載力的方式有所不同，但這三種機(jī)械式作動(dòng)器的動(dòng)力源都是電力。通過(guò)柱塞對(duì)連桿施加壓力，就可以帶動(dòng)曲軸運(yùn)動(dòng)，也就是對(duì)電氣設(shè)備的輸出進(jìn)行控制，然后根據(jù)其反饋狀態(tài)，設(shè)計(jì)出最合適的飛輪，從而完成振幅、頻率的測(cè)控工作。

在以往的機(jī)械式動(dòng)態(tài)加載控制技術(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一般不會(huì)去調(diào)整曲柄的偏心距，這就帶來(lái)了一個(gè)問(wèn)題，滑塊需要通過(guò)多次滑動(dòng)才能完成行程。因此，為了解決滑塊直線往復(fù)的頻率問(wèn)題，就需要改變曲柄的偏心距。這一工作主要由伺服電機(jī)來(lái)完成，通過(guò)伺服電機(jī)改變它的偏心距，同時(shí)通過(guò)異步電機(jī)的運(yùn)行使曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣一來(lái)就解決了滑塊直線往復(fù)的頻率問(wèn)題，使試件更好地滿足動(dòng)態(tài)加載疲勞試驗(yàn)的要求。

2.2 控制系統(tǒng)功能要求及結(jié)構(gòu)分析

在對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要遵循一定的設(shè)計(jì)原則。對(duì)于控制系統(tǒng)而言，系統(tǒng)硬件質(zhì)量是必須要保證的，因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)對(duì)硬件的要求較高。除此之外，還需要提高控制系統(tǒng)的性價(jià)比，在不影響功能的前提下降低成本。最后，還需要對(duì)控制系統(tǒng)的功耗、調(diào)幅精度進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

以疲勞試驗(yàn)機(jī)為應(yīng)用對(duì)象的控制系統(tǒng)主要分為兩部分，第一部分是無(wú)極調(diào)幅控制系統(tǒng)，另一部分是作動(dòng)器加載控制系統(tǒng)。無(wú)極調(diào)幅系統(tǒng)的工作原理是，當(dāng)輸送伺服電機(jī)指令后，對(duì)曲柄的偏心距進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而在不同的振幅下，使作動(dòng)器對(duì)試件進(jìn)行試驗(yàn)。而作動(dòng)器加載控制系統(tǒng)則是，在輸送主動(dòng)力電機(jī)指令后，使作動(dòng)器在不同的頻率下都能對(duì)試件進(jìn)行試驗(yàn)。

除了需要對(duì)控制系統(tǒng)的功能要求及結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析外，還需要對(duì)硬件進(jìn)行選擇，這一部分主要包括：中央測(cè)控器的結(jié)構(gòu)類型的選擇、運(yùn)動(dòng)控制卡的選型、伺服系統(tǒng)的選型、傳感器的選型、油泵的選型、作動(dòng)器主動(dòng)力源的的系統(tǒng)選型等。只有選擇了相適應(yīng)的硬件，才能更好地完成硬件系統(tǒng)的搭建，提高控制系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

3 ?機(jī)械式動(dòng)態(tài)加載時(shí)有關(guān)節(jié)能及能量回饋裝置的應(yīng)用

3.1 異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

在進(jìn)行交變加載試驗(yàn)時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩在半個(gè)周期中其數(shù)值為負(fù)數(shù)時(shí)，試件對(duì)作動(dòng)器做正功，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的數(shù)值為正數(shù)時(shí)，作動(dòng)器對(duì)試件做正功。因此，從理論上來(lái)講，總功應(yīng)為0，只存在機(jī)械摩擦的損耗和電機(jī)的工作效率，這樣就可以得出消耗能量的理論值。在此基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)的工作效率進(jìn)行預(yù)設(shè)，還可以得出系統(tǒng)周期消耗能量、驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩。當(dāng)無(wú)法對(duì)做功的能量進(jìn)行回收利用時(shí)，就可以通過(guò)變頻調(diào)速技術(shù)，使轉(zhuǎn)矩隨負(fù)載進(jìn)行相應(yīng)的變化，與此同時(shí)，電流也會(huì)發(fā)生一定的變化，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源的目標(biāo)，減少消耗。

3.2 飛輪節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

飛輪儲(chǔ)存能量的大小與飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及角速度平方成正比，活塞的上下止點(diǎn)一般是通過(guò)飛輪的慣量來(lái)克服的，除此之外，在汽車的行駛過(guò)程中所產(chǎn)生的瞬間大阻力也可以通過(guò)飛輪的慣量來(lái)克服。因此，對(duì)于機(jī)械式動(dòng)態(tài)加載來(lái)說(shuō)，將交變載荷施加給試件，就可以通過(guò)使用飛輪，來(lái)進(jìn)行能量的儲(chǔ)存，從而降低能耗，以彌補(bǔ)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩不足等問(wèn)題，克服轉(zhuǎn)矩、穩(wěn)定頻率。

當(dāng)對(duì)飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要對(duì)其所做的功進(jìn)行計(jì)算，設(shè)定平均角速度，從而得出飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，然后就可以根據(jù)電動(dòng)機(jī)和飛輪慣量的克服負(fù)載，獲知電動(dòng)機(jī)需要的功率以及消耗的功率，得到飛輪技術(shù)比電液伺服技術(shù)節(jié)能百分比，由此就看出節(jié)能效果的好壞取決于飛輪是否合適。對(duì)疲勞試驗(yàn)機(jī)來(lái)講，可以選擇大小相同的飛輪，然后分別進(jìn)行安裝，取飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的平均值，再根據(jù)實(shí)際情況，就可以設(shè)計(jì)出理想的飛輪。

3.3 能量回饋裝置的應(yīng)用

現(xiàn)階段，雖然有很多成功應(yīng)用的能量回饋裝置和技術(shù)，但是在這些能量回饋技術(shù)中，能夠改善電源容量不足的技術(shù)比較少。目前能夠解決電源容量不足的技術(shù)主要有電子飛輪儲(chǔ)能技術(shù)和超級(jí)電容。超級(jí)電容器作為一種大容量?jī)?chǔ)能元件，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展，現(xiàn)如今該技術(shù)非常成熟，具有可觀的性能指標(biāo)。超級(jí)電容不僅儲(chǔ)電能力強(qiáng)，而且不需要經(jīng)常進(jìn)行維修保養(yǎng)。它的工作原理是通過(guò)整流電路輸送電流。與此同時(shí)，對(duì)電容進(jìn)行充電，然后電流又對(duì)逆變回路進(jìn)行輸送，以克服負(fù)載。在作動(dòng)器動(dòng)態(tài)加載的過(guò)程中，只要電容量處在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，就可以完全回收再生能量，從而幫助作動(dòng)器完成負(fù)載克服的工作。

4 ?結(jié)論

總之，為了推動(dòng)我國(guó)疲勞試驗(yàn)領(lǐng)域的發(fā)展，就需要對(duì)疲勞試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理、加載方法等進(jìn)行研究，在對(duì)疲勞試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)，即無(wú)極調(diào)幅控制系統(tǒng)和作動(dòng)器加載控制系統(tǒng)有一個(gè)較為深入的理解之后，就可以通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)算和分析，以找到最合適的節(jié)能技術(shù)，盡可能地降低疲勞試驗(yàn)的成本，減少機(jī)械零件在試驗(yàn)過(guò)程中的能量損耗，這對(duì)我國(guó)推行工業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義。只有這樣，才能真正推動(dòng)我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，平衡好經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益之間的關(guān)系。

參考文獻(xiàn)：

[1]王貴賓，劉志華，王婷婷，李梓銘.曲柄連桿（滑塊）機(jī)構(gòu)在疲勞試驗(yàn)機(jī)中的應(yīng)用[J].工程與試驗(yàn)，2015（03）.

[2]陳蓓，姜偉，高紅俐，云燕，王建淼.電磁諧振式高頻疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析[J].機(jī)電工程，2012（12）.

[3]任永強(qiáng)，陳清紅，景興淇.基于動(dòng)態(tài)載荷的變速器疲勞試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程師，2010（05）.

[4]陳宏，李繼軍，王麗雅，陳超.激振頻率對(duì)裂紋梁系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2015（09）.

[5]周亞?wèn)|，費(fèi)慶國(guó)，吳邵慶，譚志勇.C/SiC材料疲勞試驗(yàn)加載頻率的數(shù)值研究[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2016（06）.

[6]陸東宇.機(jī)械式動(dòng)態(tài)加載控制技術(shù)及應(yīng)用[D].吉林大學(xué)，2018.

[7]任昌山，李長(zhǎng)春，顧凱.數(shù)字式自適應(yīng)動(dòng)態(tài)電液疲勞試驗(yàn)機(jī)的摩擦力分析及補(bǔ)償研究[J].液壓氣動(dòng)與密封，2009（01）.

[8]王軍政，趙江波，汪首坤.電液伺服技術(shù)的發(fā)展與展望[J].液壓與氣動(dòng)，2014（05）.

作者簡(jiǎn)介：韓亮亮（1984-），女，江蘇連云港人，助理工程師，本科，研究方向?yàn)闄C(jī)械電子工程。